三角孔多孔板水力空化杀灭原水中病原微生物

柳文菁,董志勇,杨 杰,李大庆,张邵辉,黄大伟



三角孔多孔板水力空化杀灭原水中病原微生物

柳文菁,董志勇*,杨 杰,李大庆,张邵辉,黄大伟

(浙江工业大学建筑工程学院,浙江 杭州 310023)

利用自主研发的新型三角孔多孔板水力空化装置对胜利河原水进行消毒处理,采用压力数据采集系统采集水力空化工作段压力、显微镜观察菌体形态变化、平板计数法计数菌落总数、酶底物法检测总大肠菌群和大肠埃希氏菌;研究了三角孔多孔板的水流空化数、孔口大小、孔口数量、孔口排列和原水浓度梯度对水力空化杀灭原水中病原微生物的影响.结果表明:选择适当的原水浓度、增大孔口数量、减小孔口大小以及改进孔口排列方式(如交错式)时,均可进一步提高原水中病原微生物杀灭率.菌群杀灭率在5min时可达到稳定高效杀灭值,15min时菌落总数杀灭率可达80%以上,总大肠菌群和大肠埃希氏菌杀灭率均可达90%以上,甚至完全杀灭.

水力空化；三角孔多孔板；杀灭率；饮用水消毒

传统加氯消毒中,氯会与水中有机化合物反应生成具有“三致”(致癌、致畸、致突变)作用的消毒副产物DBPs(三卤甲烷THMs、卤乙酸HAAs等),对人们身体健康产生极大危害[1].且氯消毒后会含有难闻味道和嗅味[2].同样氯胺消毒可能对遗传基因有毒性反应,产生含氮副产物,如卤代硝基甲烷等[3].而消毒高效的臭氧消毒也会与水体中腐殖酸类或溴离子等产生潜在致癌羟基化合物[4].

水力空化是一种新型的饮用水处理技术.空化空蚀现象伴随着空泡的形成、生长和溃灭以及冲击波、微射流的物理、化学作用.空泡溃灭瞬间产生巨大压力脉冲(102~103MPa),一方面形成极端高温、高压环境[5],使得水分子结合键断裂产生具有极强的氧化性的羟基自由基[6],能破坏细胞中糖类、蛋白质、DNA、RNA等结构,发生脂质过氧化、氨基酸氧化分解、细胞色素脱色和蛋白质变形等反应[7],从而达到杀灭微生物的目的.另一方面可产生70~ 180m/s的高强度微射流对细胞壁产生冲击压力和剪切力,造成细胞破裂.

同时水流中形成一定尺度的脉动漩涡和脉冲压力场[8].Doulahm等[9]认为,当脉动能量超过微生物细胞壁承受强度时,细胞壁将会破裂,使得细胞结构和功能成分破坏,达到消毒效果.Arrojo等[10]利用文丘里管作为水力空化发生器对水中大肠杆菌进行消毒处理.耿坤等[11]利用文丘里式水力空化反应对人工配制的大肠杆菌水样进行杀菌处理,验证随着空化数的降低,装置内流动状态由单相流向二相空泡流转变,继而发展成二相环形喷射流,产生微射流与冲击波能增大大肠杆菌杀灭作用,15min处理即可达到100%杀灭率;王磊等[12]研究文丘里式水力空化消毒中扩散角对杀灭率的影响,在合适浓度下处理15min对水体中大肠杆菌杀灭率能达到100%,菌落总数杀灭率为91.33%,若提高流速或延长处理时间,杀灭率均可达100%.本文主要研究三角孔多孔板的水流空化数、孔口大小、孔口数量、孔口排列和原水浓度梯度等参数对水力空化杀灭原水中病原微生物效果的影响,创新性在于利用酶底物法、平板计数法分析多孔板水力空化装置对于多种病原微生物的杀灭情况,大范围地探究多孔板水力空化技术在实际中的应用.

1 材料与方法

1.1 试验装置

图1 试验装置示意

1.内筒水箱;2.离心泵;3.控制阀;4.压力表;5.水力空化工作段;6.转子流量计;7.冷却外筒

试验在浙江工业大学水动力学实验室进行,主要试验设备包括水力空化装置、YYS-300生物显微镜(上海仪圆光学仪器)、YSI6600V2多参数水质测定仪(美国威斯特传感器仪表有限公司)、TM-XB24J台式快速蒸汽灭菌器(江阴滨江医疗设备有限公司)、LRH-150生化培养箱(上海一恒科学仪器有限公司)、DZF-6020真空干燥箱(上海精宏实验设备有限公司)、紫外检测灯(上海勤科分析仪器)、SW-CJ-1FD医用超净工作台(苏州净化设备有限公司)和YE6263压力数据采集系统(上海联能科技有限公司)等.其中水力空化装置为浙江工业大学水动力试验室自主研发的三角孔多孔板式不锈钢水力空化反应器,主要由不锈钢筒形水箱、水力空化工作段、离心泵、转子流量计、节流阀、压力表以及相应的不锈钢管道组成.如图1所示.同时试验设计了3种不同几何参数(孔口排列、孔口数量及孔口大小)的三角孔多孔板,如图2所示,其几何参数见表1.对于不同规格的多孔板,其过流面积保持一致.

图2 三角孔多孔板

表1 三角孔多孔板几何参数

前侧进口处为三角孔不锈钢板,喉部为方形观察段,其两侧及顶部采用透明有机玻璃便于进行空化现象的观测.底部为不锈钢板,以多孔板所在位置作为坐标原点,各测压点距多孔板的距离分别为1.0,3.5,7.0,11.0,14.0cm,如图3所示.

0 1.0 3.5 7.0 11.0 14.0cm

1.2 试验方法

本试验取胜利河水为原水,加以一定量自来水稀释,配制不同浓度梯度的原水,梯度列于表2中.未经稀释的原水水样菌落总数在1.1´105~1.4´105CFU/mL范围内.

首先,在内筒水箱中加入配制好的原水,进行第1次取样,即0min.在水力空化工作段下方安装压力传感器,并连接压力数据采集系统.开启双泵运行后,分别在2,5,10,15min 4个时间点进行取样.与此同时,在水流稳定后开启压力采集系统,采集水力空化工作段5个测点的压力,并记录转子流量计数据.最后将5个时间点的水样进行以下分析:

表2 水样浓度梯度配制

(1)利用生物显微镜观测水样菌落形态变化.

(2)利用平板计数法测水样菌落总数.取1mL稀释一定浓度的水样,注入灭菌平皿,倾注约15mL已融化并冷却到(45±1)℃的灭菌营养琼脂培养基,并立即旋摇平皿,使水样与培养基充分混匀.并做平行接种与空白对照.待培养基冷却凝固后,翻转平皿,使底面向上,置于(36±1)℃生化培养箱内培养48h,进行菌落计数.

(3)利用酶底物法测水样总大肠菌群数与大肠埃希氏菌数.取100mL稀释一定浓度的水样,加入(2.7±0.5)gMMO-MUG培养基粉末(由百思生物生产),混合摇匀使之完全溶解后,分别取10mL水样至10支已高温灭菌的试管中,放入(36±1)℃的培养箱内培养24h.若试管中水样变黄色则表示该试管含有总大肠菌群.再将颜色变黄的试管在暗处用波长为366nm的紫外检测灯照射,若有蓝色荧光产生则表示有大肠埃希氏菌.计算变黄与有荧光反应的试管数,对照国标法中的10管法不同阳性结果的最可能数(MPN)及95%可信范围查出其代表的总大肠菌群、大肠埃希氏菌的最可能数(MPN).

最后根据每个时间点的各项指标,分析菌落总数、总大肠菌群、大肠埃希氏菌的杀灭效果.原水中病原微生物空化空蚀作用前后的杀灭率定义为:

式中:1和2分别为空化空蚀作用前后水样中菌落总数;为杀灭率.

2 结果与讨论

2.1 生物显微镜分析

在水力空化工作段启动后0,2,5,10,15min时进行取样,制成玻片,采用生物显微镜油镜400倍观察水体病原微生物形态变化.以75%原水浓度、25孔棋盘式多孔板处理前与15min为例,由图4可看出,未经空化空蚀作用前的水样中,病原微生物的总数较多,呈现团状,较为密集,且细胞外表较为光滑;而空化空蚀作用后的水样中,病原微生物的总数大大降低,呈零散状,较为稀疏,细胞外表粗糙,无明显的细胞边界.这是由于水样通过水力空化工作段时,孔口流速急剧增大,压力骤减,水流发生空化,空泡溃灭使病原微生物发生空蚀破坏[13].同时多股射流掺混剧烈,产生巨大的射流切应力,打散了菌胶团.同时空化泡产生的冲击波对细胞膜产生损伤[14],导致细胞结构破坏细胞质流出致死.

图4 空化空蚀作用前后病原微生物的显微镜图片

2.2 空化数的影响

空化数是描述水流空化状态的无量纲参数,可表示流场空化程度.空化数可定义为:

式中:0为测点绝对压强;p为饱和蒸气压;试验水温=39℃相应的饱和蒸气压;为孔口流速;为水的密度.

将水力空化装置运行15min,由转子流量计测定流量,从而计算孔口流速.测点压强则由YE6263压力数据采集系统测定,沿程压力数据如表3.据式(2)可求出空化数,见图5.大气压强取0=101.325kPa.

表3 孔口流速及测点压力沿程变化

图5 工作段空化数沿程变化

由表3看出,当水流经过多孔板时,流速突然升高,压强骤降,引起空化数急剧下降.由图可见,在1~3.5cm范围内,空化数呈现微微上升趋势,7~14cm范围内,空化数沿程基本保持不变.25孔棋盘式与交错式空化数比较接近,但远小于9孔.由于开孔数量的增多,流经多孔板所形成的多股射流数量增多,交错流动掺混剧烈,造成水流紊动加剧,增强水流脉动,空化程度加强.

2.3 原水浓度梯度对杀灭率的影响

配制不同原水浓度梯度的试验用水注入装置内筒,开启运行水力空化装置15min,其他工况一致.以25孔交错式多孔板为例,不同原水浓度梯度的菌落总数、总大肠菌群、大肠埃希氏菌杀灭率变化分别见图6.

如图6所示,所有浓度梯度都呈现0~2min菌落总数、总大肠菌群、大肠埃希氏菌的杀灭速率最大,2~5min杀灭速率减缓,5~15min杀灭速率趋于平缓.菌落总数杀灭率可达90%,总大肠菌群、大肠埃希氏菌的杀灭率接近100%.菌落总数杀灭率在原水浓度梯度100%的情况下最大,依次沿着浓度梯度下降,呈现正相关.此时空化数在0.15~0.16之间,极易发生空化现象.由于原始浓度大,单位体积内菌落总数高,菌体更易遭遇空蚀破坏,而导致细胞体破裂死亡.同时,水流通过多孔板形成的多股射流使病原微生物发生剪切破坏.此外,随着空泡产生、生长、溃灭会进一步加剧空化水流的紊动和压力脉动,致使水温升高,水流饱和蒸汽压与之上升,使得空化数降低,空泡数量增多.而随着菌落总数浓度的降低,空化空蚀作用到细胞的概率降低,从而使杀灭速率下降.但由于高强度的空化伴随产生的高温高压等极端因素,导致菌体在5min空化空蚀作用下杀灭率达到70%,在15min几乎完全杀灭,尤其是总大肠菌群和大肠埃希氏菌.对于总大肠菌群和大肠埃希氏菌杀灭率,与张茜等[15]利用三角形多孔板水力空化人工配制大肠杆菌溶液试验具有相似规律,杀灭率随溶液浓度上升先增大后减小.本试验总大肠菌群和大肠埃希氏菌最优杀灭率出现在原水浓度配比为50%,0~2min内杀灭率增长最快.杀灭率增长转折点可能是由于菌群数量增大导致菌群抵抗恶劣条件能力增加.

2.4 孔口数量对杀灭率的影响

取三角孔9孔棋盘式和25孔棋盘式多孔板在100%、75%、50%、25%原水浓度梯度下进行试验,以100%原水浓度为例,菌落总数、总大肠菌群数、大肠埃希氏菌数随时间变化分别见图7.

由图7可看出,开孔数越多,杀灭率越大.且杀灭率增长的持续性与开孔数量呈正相关.在原水浓度梯度大的情况下更明显.这是由于孔口的数量增加,产生的多股射流掺混加剧,为空化现象的加剧提供了更好的条件,随之产生的剪切作用更加强烈.由于空化更加剧烈,产生能量更强[16],在杀灭率持续性上得到了很好的表现.同时对刘昶等[17]、陈乐等[18]增加孔口数量提高大肠杆菌杀灭率的结论做了补充,验证其对实际原水中其他病原微生物杀灭率均能起到很好的强化作用.

2.5 孔口大小对杀灭率的影响

图8 100%原水浓度下不同孔口大小对菌落总数杀灭率的影响

取三角孔9孔棋盘式多孔板(a=6.7mm)与25孔棋盘式多孔板(a=4.0mm)进行比较.由图8可知,孔口面积越小,杀灭速率越快,且杀灭率越高.这是由于在多孔板过流面积一致下,孔口减小时,孔口数量增多,形成多股射流更细,间距更小,加剧多股射流的掺混作用,使水流紊动强度增加、空化数降低,空化效应增强.原水浓度越高,孔口大小对菌落总数的杀灭率影响越大,杀灭率与杀灭速率都有一定提高.这是由于原水浓度自身对菌落总数杀灭率存在正相关关系,而此时减小孔口面积,增大原水浓度起到双重影响叠加,使得杀灭率与杀灭速率均得到提升.

2.6 孔口排列对杀灭率的影响

在保持多孔板过流面积大小、开孔数量一致的情况下,改变孔口排列,取三角孔25孔棋盘式与25孔交错式多孔板进行试验.以100%原水浓度梯度为例,由图9可见,交错式多孔板和棋盘式多孔板在总体杀灭率上效果相差不大,均在5~10min左右均可达到一个相似稳定值,菌落总数杀灭率约为80%,总大肠菌群和大肠埃希氏菌则为90%以上.但从杀灭速率上分析,交错式产生的杀灭速率更快,约在5min可达到高效杀灭率,而棋盘式需要10min左右.产生这样的现象是由于:棋盘式排列使得水流从孔口射流状况更为规则,形成涡旋尺度较大而频率不高;而交错式排列使得射流呈交错状,脉动能量分布较宽,优势频率增大[19],水流更易碰撞易掺混引起脉动而提高空化现象,增大切应力对菌体细胞的破坏作用[20].

3 结论

3.1 三角孔多孔板水力空化能够有效杀灭原水中的病原微生物.杀灭率随运行时间延长而增加,运行15min时菌落总数杀灭率可达到80%以上,总大肠菌群和大肠埃希氏菌的杀灭率可达90%以上.

3.2 菌落总数杀灭率在100%原水浓度下(菌落总数为1.1´105~1.4´105CFU/mL)最大,随着浓度下降,其杀灭率和杀灭速率均减小;总大肠菌群和大肠埃希氏菌杀灭率在各浓度下相似,且在50%原水浓度下杀灭速率最快.

3.3 减小孔口大小、增加孔口数量,能够进一步提高原水中病原微生物的杀灭率.

3.4 孔口交错式排列与棋盘式排列,15min时杀灭率基本相似,但交错式杀灭速率明显高于棋盘式,并更快达到高效稳定值.

3.5 不同规格多孔板产生的空化程度不一,本试验中25孔交错式多孔板为杀灭效果最佳多孔板.

[1] Sadiq Rehan, Rodriguez Manuel J. Disinfection by-products (DBPs) in drinking water and predictive models for their occurrence: a review [J]. The Science of the Total Environment, 2004,321(1-3):21-46.

[2] Singer PC. Humic substances as precursors for potentially harmful disinfection by-products [J]. Water Science&Technology, 1999,40(9): 25.

[3] 衡正昌,李朝晖,姜维华,等.氯胺消毒对饮用水消毒副产物形成和致突变性的影响 [J]. 环境与健康杂志, 2003,20(3):134-136.

[4] Glaze William H, Weinberg Howard S, Cavanagh Joseph E.Evaluating the formation of brominated DBPs during ozonation [J]. Journal- American Water Works Association, 1993,85(1):96-104.

[5] 魏 群,肖 波.水力空化技术在废水处理中的研究与应用进展 [J]. 中国给水排水, 2007,23(2):13-16.

[6] 冯中营.空化及其在杀菌中的作用 [J]. 科学技术与工程, 2010(5): 1208-1210.

[7] Roy D, Wong P K Y, Engelbrecht RS, et al. Mechanism of enteroviral inactivetion by Ozone [J]. Appliedand Environmental Microbiology, 1981,41(3):718-723.

[8] Preece Carolyn M, Brunton John H. A comparison of liquid impact erosion and cavitation erosion [J]. Wear, 1980,60(2):269-284.

[9] Doulah M S, Hammond T H, Brookman J S G. A hydrodynamic mechanism for the disintegration of Saccharomyces cerevisiae in an industrial homogenizer [J]. Biotechnology & Bioengineering, 1975, 17(6):845-858.

[10] Arrojo S, Benito Y, Tarifa A M. A parametrical study of disinfection with hydrodynamic cavitation [J]. Ultrasonics Sonochemistry, 2008,15(15): 903-908.

[11] 耿 坤,董志勇,张 凯,等.文丘里空化空蚀杀灭大肠杆菌的试验研究 [J]. 中国环境科学, 2017,37(9):3385-3391.

[12] 王 磊,董志勇,秦兆雨,等.变扩散角文丘里式水力空化杀灭原水中病原微生物试验研究 [J]. 水力发电学报, 2017,36(9):75-81.

[13] Sandor Bernad, Romeo Susan-Resga, Sebastian Muntean, et al. Numerical analysis of the cavitating flows [J]. Proceedings of the Romanian Academy-Series A: Mathematics, Physics, Technical Sciences, Information Science, 2006,7(1):33-45.

[14] Tetsuya Kodama, Ken-ichiro Koshiyama, Yukio Tomita, et al. Interaction of impulsive pressures of cavitation bubbles with cell membranes during sonoporation [C]. International Symposium on Therapeutic Ultrasound, 2006,829(1):34-38.

[15] 张 茜,董志勇,陈 乐,等.三角孔多孔板水力空化杀灭大肠杆菌的研究 [J]. 水力发电学报, 2016,35(8):65-71.

[16] 黄继汤.空化与空蚀原理及应用 [M]. 北京:清华大学出版社, 1991.

[17] 刘 昶,董志勇,陈 乐,等.圆孔多孔板水力空化杀灭大肠杆菌的实验研究 [J]. 中国环境科学, 2016,36(8):2364-2370.

[18] 陈 乐,董志勇,刘 昶,等.方孔多孔板水力空化杀灭大肠杆菌的实验研究 [J]. 水力发电学报, 2016.35(9):48-54.

[19] 韩 伟,董志勇,邴 斌.等.多孔板压力特性的试验研究 [J]. 水力发电学报, 2014,33(6):126-131.

[20] Prajapat A L, Gogate P R. Intensified depolymerization of aqueous polyacrylamide solution using combined processes based on hydrodynamic cavitation, ozone, ultraviolet light and hydrogen peroxide [J]. Ultrasonics Sonochemistry, 2016,23(31):371-382.

Killing pathogenic microorganism by hydrodynamic cavitation due to triangular multi-orifice plates.

LIU Wen-jing, DONG Zhi-yong*, YANG Jie, LI Da-qing, ZHANG Shao-hui, HUANG Da-wei

(College of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310023, China)., 2018,38(8)：3011~3017

A self-developed hydrodynamic cavitation generator with triangular multi-orifice plates in the Hydraulics Laboratory at Zhejiang University of Technology was used to sterilize raw water in Shengli River of Hangzhou. Pressure in hydrodynamic cavitation working section were measured by the pressure data acquisition system. Morphological changes in coliform were observed by the biological microscope. Total colony count was detected by plate counting method, and enzyme substrate technique was used to detect total coliform and. Effects of cavitation number, different initial concentration of raw water, number of orifice, size of orifice and arrangement of orifice on killing pathogenic microorganisms by hydrodynamic cavitation were experimentally studied. Choosing the appropriate initial concentration, increasing the orifice number, decreasing the orifice size and improving orifice arrangement could further increase the killing rates of pathogenic microorganism in raw water. The killing rate of the bacteria colony can reach stable and efficient killing value at 5min. At 15min the killing rate of total colony count reached 80%, and more than 90%, even 100% total coliform andwere killed.

hydrodynamic cavitation；triangular multi-orifice plate；inactivation rate；drinking water disinfection

X131.2

A

1000-6923(2018)08-3011-07

柳文菁(1992-),女,浙江丽水人,浙江工业大学硕士研究生,主要从事水力学与饮用水消毒技术方面的研究.

2018-01-04

国家自然科学基金资助项目(51479177)

, 教授, dongzy@zjut.edu.cn